Abschlusskolloquium Solare Kühlung

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Susanne Bauer
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1 Abschlusskolloquium Solare Kühlung Entwicklung eines Latentwärmespeichers für hohe Temperaturen Tunay Özcan 28. Oktober 2014

2 Gliederung 1. Aufgabenstellung und Zielsetzung 2. Wärmespeichermaterialien und Vorversuche 3. Versuchsanlage und Durchführung der Versuche Versuche mit waagerechtem Speicheraufbau Versuche mit senkrechtem Speicheraufbau Versuche mit Lamellenwärmeübertrager 4. Ergebnisse 5. Skalierung des Speichers auf Pilotanlage 6. Schlussfolgerungen Abschlusskolloquium, Hochschule Karlsruhe

3 1. Aufgabenstellung und Zielsetzung Ziel: Gebäudekühlung durch Nutzung erneuerbarer Energien Die Projektziele der Hochschule Karlsruhe: Entwicklung eines latenten Wärmespeichers Einbindung des Wärmespeichers in das Gesamtkonzept Temperaturbereich ca. 130 C Polyethylen als PCM-Speichermedium 3

eines latenten Wärmespeichers Einbindung des Wärmespeichers in das

4 1. Aufgabenstellung und Zielsetzung Ziel: Gebäudekühlung durch Nutzung erneuerbarer Energien Die Projektziele der Hochschule Karlsruhe: Entwicklung eines latenten Wärmespeichers Einbindung des Wärmespeichers in das Gesamtkonzept Temperaturbereich ca. 130 C Polyethylen als PCM-Speichermedium PE-UHMW PE-8110 PE-HD 4

5 2. Wärmespeichermaterialien und Vorversuche Material Schmelztemperatur/ Schmelzbereich Spezifische Schmelzenthalpie Zustand [ C] [kj/kg] PE-HD [GHR 8110] Pulver PE-UHM [GUR 4120] Pulver Licocene PE Granulat Licocene PP Granulat Licocene PP Granulat KNO 3 -NaNO 2 -NaNO 3 ( ) % Pulver Mannitol Pulver Palatinitol (Isomalt) Pulver 5

6 2. Wärmespeichermaterialien und Vorversuche Versuche in der Minitestkammer Ofentemperatur LICOCENE PE 4201 Temperatur [ C] Temperatur des Speichermaterials Zeit [min] Ofentemperatur Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 Versuch 4 Versuch 15 Versuch 16 Versuch 17 6

7 2. Wärmespeichermaterialien und Vorversuche Versuche in der Minitestkammer Konstante Ofentemperatur T=140 C Ofen-Versuche 7

8 2. Wärmespeichermaterialien und Vorversuche Versuche in Testspeicher Dauer eines Versuches:120 min 40 min > 130 C, 60 min C und 20 min < 100 C Stäbe mit Dampf beaufschlagt Im Speicher war der untere Teil der Stäbe teilweise unter Wasser Gesamtzahl der Versuche: 20 Zyklen Thermische Belastung von mindestens 40 Stunden, davon ca. 13 Stunden in geschmolzenem Zustand 8

9 2. Wärmespeichermaterialien und Vorversuche Die Proben zeigten folgende Applikationsspuren: schwarzgraue und bräunliche Ablagerungen keine Veränderungen der Schmelz-/ Erstarrungstemperaturen keine Veränderungen der entsprechenden Enthalpien der Phasenübergänge im Vergleich zum unbehandelten Referenzmaterial 9

10 3. Versuchsanlage und Durchführung der Versuche Versuche mit waagerechtem Speicheraufbau Wärmespeicher Verflüssiger Dampferzeuger Temperatur messstellen Massenstrommessgeräte Sammler Entladungssystem Messdatenerfassungssystem 10

11 3. Versuchsanlage und Durchführung der Versuche Massenstrommessgeräte Beladen Wärmespeicher Entladen 11

12 3. Versuchsanlage und Durchführung der Versuche Beladetemperatur Temperatur des Speichermaterials Temperatur in C Beladen Entladetemperatur Entladen Zeit in min Dampfmassenstrom in kg/h Beladetemperatur (Dampf) Entladetemperatur (Wasser) Pe Temperatur in der Mitte Beladen Entladen Zeit in min Dampfmassenstrom Dampfmassenstrom nach dem Kessel Dampfmassenstrom nach dem Speicher 12

13 3. Versuchsanlage und Durchführung der Versuche Massenstrommessgeräte Wärmespeicher Endladung mit Dampfkessel Pumpenentladung 13

14 3. Versuchsanlage und Durchführung der Versuche Beladetemperatur Temperatur des Speichermaterials Temperatur in C Entladetemperatur Beladen Entladen Zeit in min Beladetemperatur (Dampf) Entladetemperatur (Wasser) PE Temperatur in der Mitte 8 Dampfmassenstrom in kg/h Dampfmassenstrom Zeit in min Dampfmassenstrom nach dem Kessel Heißwassermassenstrom Dampfmassenstrom nach dem Speicher 14

15 3. Versuchsanlage und Durchführung der Versuche Kritische Betrachtung des Speicherkonzepts Verunreinigung des Wassers der Anlage durch Rostpartikel führt zu Ablagerungen und Oberflächenveränderungen an den Speicherstäben und Verblockungen der Entladedüsen. Die möglichen Änderungen der Materialeigenschaften durch diese Ablagerungen und der ständige Kontakt des Speichermaterials mit Wasser sind in diesem Projekt nicht untersucht Die hohen Produktions- und Wartungskosten Fazit des querströmten Speichers Beladen der Polyethylen-Stäbe direkt mit Dampf nicht ideal Entladen liefert keinen ausreichenden Dampfmassenstrom Einsatz von Polyethylen-Stäben bietet gute Basis für neue Konzepte 15

16 3. Versuchsanlage und Durchführung der Versuche Beladen durch Mischkondensation Mischkondensator zwei unterschiedliche Konzepte 16

17 3. Versuchsanlage und Durchführung der Versuche Stabspeicher Temperaturmessstellen 17

18 3. Versuchsanlage und Durchführung der Versuche Lamellenwärmeübertrager als Speicher Maße des Wärmeübertragers : L x B x H: 599 x 181 x 306 mm 91 Lamellen aus Aluminiumblech die Stärke: 0,5 mm Lamellenabstand: 5 mm Quelle: Kühner Wärmetauscher GmbH & Co. KG Quelle: Kühner Wärmetauscher GmbH & Co. KG Verbesserung der Wärmeleitung, einfache Herstellbarkeit, die geringen Kosten, da Massenprodukt, der kleine druckbeaufschlagte Raum, stoffliche Trennung von Wasser-Polyethylen 18

19 4. Ergebnisse Massenstrom in kg Dampf kg PE -1 h -1 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 PE-8110-Pulver PE-4201-Pulver Dampfmassenstrom PE-HD (Stab) PE-HD-Stab Zeit in min PE-UHMW-Stab Dampfmassenstrom PE-UHMW (Stab) Dampfmassenstrom PE-4201 (Formlos) - LWÜ Dampfmassenstrom PE-8110 (Formlos) - LWÜ Temperatur in C PE-UHMW-Stab PE-8110-Pulver PE-HD-Stab PE-4201-Pulver Zeit in min Temperatur PE-HD (Stab) Temperatur PE-4201 (Formlos) - LWÜ Temperatur PE-UHMW (Stab) Temperatur PE-8110 (Formlos) - LWÜ 19

20 4. Ergebnisse PE-8110 PE-4201 Stabspeicher 20

21 4. Ergebnisse Ergebnisse der untersuchten PE-Arten Stabspeicher Lamellenwärmeübertrager PE-HD PE-UHMW PE-4201 PE-8110 Form Stab Stab formlos formlos Masse Speichermaterial in kg 12,7 11,43 12,95 8,5 Speichergesamtvolumen in l Druckbeaufschlagtes Volumen in l 35,5 35,5 4,8 4,8 Schmelzenthalpie in kj/kg (1) 192,02 (1) Temperatur beim Phasenübergang fest-flüssig in C Temperatur beim Phasenübergang flüssig-fest in C 129 (2) 130 (2) 127 (2) 130 (2) 122 (2) 125 (2) 117 (2) 126 (2) Beladungsdauer in min Durchschnittlich erzeugter Dampfmassenstrom für 60 min in kg/s (1) Herstellerangaben (2) Im Technikumsspeicher gemessene Temperaturen 2,13 2,14 2,41 1,97 21

22 5. Skalierung des Speichers auf Pilotanlage Kostenabschätzung für Pilotspeicher Speicherart Behälter mit PE-HD Stäben [Euro] Behälter mit PE- UHMW Stäben [Euro] LWÜ mit PE gefüllt [Euro] PCM [Euro/kg] 4,20 5,60 3,00 Speicher 2600,- 2600,- 3900,- TÜV-Abnahme (Vorprüfung + Endabnahme) 1200,- 1200,- In Speicherkosten enthalten (Serienabnahme) Vernetzung 4000,- - - Gesamtkosten für 5 Speichermodule mit insgesamt 500 kg PE 25100, , ,- 22

23 5. Skalierung des Speichers auf Pilotanlage 23

24 5. Skalierung des Speichers auf Pilotanlage Speichermodul Mischkondensator 24

25 5. Skalierung des Speichers auf Pilotanlage Rohranordnung Versetzt Fluchtend 25

26 5. Schlussfolgerungen Temperatur in C Leistung in kw Entladetemperatur Entladeleistung Temperatur des Speichermaterials Zeit Speichertemperatur Entladungsleistung Volumenstrom Temperatur Wärmespeicher Eingang Temperatur Wärmespeicher Ausgang 26

27 5. Schlussfolgerungen Die ersten Konzepte eignen sich nicht für eine Weiterverwendung Ein messbarer Dampfmassenstrom beim Entladen kann nur bedingt, über einen kurzen Zeitraum und nicht in ausreichendem Massenstrom ermittelt werden. Dieses Speicherkonzept kann als nicht praktikabel und nicht ausreichend für die spätere Pilotanlage gewertet werden Das veränderte Konzept kann aufgrund durchgeführter Versuche als funktionsfähige Lösung gezeigt werden Alle vier Materialien erzeugen beim Entladen einen messbaren Dampfmassenstrom. Drei der getesteten Materialien erfüllen zusätzlich die Anforderungen hinsichtlich der Entladetemperatur Ausgewählt wird eine Kombination aus Lamellenwärmeübertrager und PE

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 28

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